Water-in-salt及其衍生电解液在储能器件中的应用
发布时间：2021-12-18 10:23
随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展,对高性能储能设备的需求越来越迫切。现有的储能系统往往存在一些不足,比如超级电容器能量密度低、锌离子电池可逆性循环差、液流电池成本高等等。研究者们想要通过设计合理的电解液来改善以上各类储能器件的缺陷。其中,高浓盐作为电解液表现出本质安全、较宽的电压窗口,因此受到了人们越来越多的关注。本论文中,针对不同器件在储能机制和选择电解液方面的问题,我们设计了不同种类的高浓度水系电解液,并将其应用于高性能超级电容器、锌离子混合电容器以及锌溴电池中。具体研究内容如下:（1）设计了一种低成本water-in-salt硝酸钠电解液,用拉曼光谱分析和分子动力学模拟研究了不同浓度溶液中离子的溶剂化结构。电化学测试表明:构造的对称超级电容器可以在0-2.1 V的宽工作电压内正常工作,在1 A g-1处显示出32.68 F g-1的高比电容。此外,将其与已报道的水系高浓度电解液进行比较表现出优异的倍率性能和出色的循环稳定性。证实该电解液具有良好的电化学稳定性、低粘度、高电导率和低成本,是一种可用于高性能和超稳定的超级电容器的理想w...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电化学储能装置广泛的应用领域[6]
电极材料中的迁移速率很慢，故导致功率密度又很低（<350Wkg-1）；而且它会在电两电极之间反复脱出和嵌入，这样就使得电池循环寿命也很差（<1000圈）[9]。相比较而言，超级电容器依靠电解液中的离子直接在电极表面进行快速的离子吸脱附形成双电层电容或发生表面氧化还原反应而存储电荷，因此具有功率密度高、循环寿命长的特点[10]。于是，在不牺牲其功率密度和长循环稳定性的情况下又能实现电池的能量存储能力，研究者们就将金属电池和超级电容器的储能机理有效地结合起来，提出了一种新型储能器件---金属离子混合电容器。图1.2不同类型电力存储系统的功率密度和能量密度[11]综上所述，电化学储能设备（例如电池，燃料电池/液流电池和电化学电容器）因其可扩展性和多功能性而成为未来的有效，安全和可靠的电力存储技术。它们的功率和能量密度特性如图1.2所示。电容器具有很高的功率密度，很低的能量密度和亚秒级的响应时间，更适合于电能质量管理。电池和液流电池/燃料电池具有大规模电能存储所需的能量密度。无论是哪一种器件，如果从它们的主要构成部件出发，电解液作为正负两电极之间传导离子的主要来源，对决定整个器件的稳定电压窗口以及主要的电化学性能起着至关重要的作用[12]。根据研究者们所使用的电解液不同，大致可将其分为水系和非水系两大类别。相比于非水系
工程硕士学位论文5图1.3电解质中氧化还原电对的法拉第电荷存储过程和常见的氧化还原电对发生反应的电位那么基于以上三个方向，如何通过降低电解液中水的活性就成为电化学基础研究和实际应用中的一项科学挑战。后两个策略这也是本人硕士阶段研究所涉及的重点课题。1.3高浓度电解液及其衍生电解液的概述上文提到的传统有机电解液、离子液体以及凝胶电解质等这些电解液的缺点或多或少地阻碍了下一代电池朝着更高的能量密度方向发展，同时还要满足更严格的安全标准，以用于混合动力汽车、智能电网、国防军事等各大领域[33,34]。因此，除了传统的锂离子电解液，全世界电化学领域都在致力于探索出新型电解液来实现高性能储能器件的要求。其中，高浓度水系电解液作为一种安全、高压的新兴电解液受到人们越来越多的关注。增加电解液中盐的浓度会增强阳离子和阴离子/溶剂之间的相互作用力，同时降低自由态溶剂分子的含量。当超过一个阈值（通常是>3-5M），游离溶剂分子会基本消失，形成一种具有特殊三维（3D）溶液结构的新型电解质，称其为高浓度电解质[35-37]。这种浓缩电解质具有与传统的稀电解质截然不同的物理化学和电化学性质。1.3.1Water-in-salt电解液的研究进展2015年，Suo等人首次报道了21m（m为mol/kg）双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（LiTFSI）水溶液，其中LiTFSI无论是在质量还是体积上都大于H2O[38]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维多孔活性炭构筑安全、高性能以及长循环寿命的锌离子混合电容器[J]. 赵攀,杨兵军,陈江涛,郎俊伟,张天芸,阎兴斌. 物理化学学报. 2020(02)
[2]活性炭基软包装超级电容器用有机电解液[J]. 黄博,孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2013(09)
本文编号：3542198
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电化学储能装置广泛的应用领域[6]
电极材料中的迁移速率很慢，故导致功率密度又很低（<350Wkg-1）；而且它会在电两电极之间反复脱出和嵌入，这样就使得电池循环寿命也很差（<1000圈）[9]。相比较而言，超级电容器依靠电解液中的离子直接在电极表面进行快速的离子吸脱附形成双电层电容或发生表面氧化还原反应而存储电荷，因此具有功率密度高、循环寿命长的特点[10]。于是，在不牺牲其功率密度和长循环稳定性的情况下又能实现电池的能量存储能力，研究者们就将金属电池和超级电容器的储能机理有效地结合起来，提出了一种新型储能器件---金属离子混合电容器。图1.2不同类型电力存储系统的功率密度和能量密度[11]综上所述，电化学储能设备（例如电池，燃料电池/液流电池和电化学电容器）因其可扩展性和多功能性而成为未来的有效，安全和可靠的电力存储技术。它们的功率和能量密度特性如图1.2所示。电容器具有很高的功率密度，很低的能量密度和亚秒级的响应时间，更适合于电能质量管理。电池和液流电池/燃料电池具有大规模电能存储所需的能量密度。无论是哪一种器件，如果从它们的主要构成部件出发，电解液作为正负两电极之间传导离子的主要来源，对决定整个器件的稳定电压窗口以及主要的电化学性能起着至关重要的作用[12]。根据研究者们所使用的电解液不同，大致可将其分为水系和非水系两大类别。相比于非水系
工程硕士学位论文5图1.3电解质中氧化还原电对的法拉第电荷存储过程和常见的氧化还原电对发生反应的电位那么基于以上三个方向，如何通过降低电解液中水的活性就成为电化学基础研究和实际应用中的一项科学挑战。后两个策略这也是本人硕士阶段研究所涉及的重点课题。1.3高浓度电解液及其衍生电解液的概述上文提到的传统有机电解液、离子液体以及凝胶电解质等这些电解液的缺点或多或少地阻碍了下一代电池朝着更高的能量密度方向发展，同时还要满足更严格的安全标准，以用于混合动力汽车、智能电网、国防军事等各大领域[33,34]。因此，除了传统的锂离子电解液，全世界电化学领域都在致力于探索出新型电解液来实现高性能储能器件的要求。其中，高浓度水系电解液作为一种安全、高压的新兴电解液受到人们越来越多的关注。增加电解液中盐的浓度会增强阳离子和阴离子/溶剂之间的相互作用力，同时降低自由态溶剂分子的含量。当超过一个阈值（通常是>3-5M），游离溶剂分子会基本消失，形成一种具有特殊三维（3D）溶液结构的新型电解质，称其为高浓度电解质[35-37]。这种浓缩电解质具有与传统的稀电解质截然不同的物理化学和电化学性质。1.3.1Water-in-salt电解液的研究进展2015年，Suo等人首次报道了21m（m为mol/kg）双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（LiTFSI）水溶液，其中LiTFSI无论是在质量还是体积上都大于H2O[38]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维多孔活性炭构筑安全、高性能以及长循环寿命的锌离子混合电容器[J]. 赵攀,杨兵军,陈江涛,郎俊伟,张天芸,阎兴斌. 物理化学学报. 2020(02)
[2]活性炭基软包装超级电容器用有机电解液[J]. 黄博,孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2013(09)
本文编号：3542198
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